本發(fā)明涉及農(nóng)業(yè)大田中基本環(huán)境因子的監(jiān)控方法，以及系統(tǒng)模型的制作和在實際中的應(yīng)用。

背景技術(shù)：

國外對農(nóng)業(yè)大田環(huán)境監(jiān)控技術(shù)的研究始于20世紀70年代，先是采用模擬式的組合儀表采集現(xiàn)場信息并進行指示、記錄和監(jiān)控，80年代末出現(xiàn)了分布式監(jiān)控系統(tǒng)。目前正在開發(fā)和研制計算機數(shù)據(jù)采集、監(jiān)控的多因子綜合監(jiān)控系統(tǒng)?，F(xiàn)在世界各國農(nóng)業(yè)大田監(jiān)控技術(shù)的發(fā)展都非?？?，一些國家的監(jiān)控技術(shù)在實現(xiàn)自動化得基礎(chǔ)上，正朝著完全自動化、無人化的方向發(fā)展。

我國對農(nóng)業(yè)大田監(jiān)控技術(shù)的研究較晚，20世紀80年代，我國先后從歐美和日本等發(fā)達國家引進了大量的連棟溫室，揭開了我國現(xiàn)代化溫室生產(chǎn)、研究和普及的序幕。

從國內(nèi)外對農(nóng)業(yè)大田環(huán)境監(jiān)控的研究來看，目前基于有線的測量監(jiān)控系統(tǒng)相對比較成熟，但是有線通信方式導致溫室內(nèi)的信號線、動力線錯綜復雜，安裝維護難度大，而且溫室環(huán)境易導致線纜老化，使系統(tǒng)可靠性降低。

本發(fā)明根據(jù)以上論述，在綜合前人工作的基礎(chǔ)上，創(chuàng)造性的提出了農(nóng)業(yè)大田智能環(huán)路監(jiān)控傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)以及一套監(jiān)控技術(shù)和解決方案。針對有線方式的缺點，采用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，具有無需布線、組網(wǎng)靈活、易升級等相對明顯的優(yōu)點。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是制作一個農(nóng)業(yè)大田的微模型，用來模擬現(xiàn)實環(huán)境中的一些關(guān)鍵因子(溫度、濕度、光照、二氧化碳、土壤濕度)，并研究這些環(huán)境因子的變化對作物生長的影響。

本發(fā)明的另一個目的是一種環(huán)境因子的監(jiān)控方法，解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，使用本發(fā)明的這種方法可以有效的調(diào)控環(huán)境因子，使作物處于最適合生長的環(huán)境，從而提高產(chǎn)量，增加經(jīng)濟效益。

本發(fā)明的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖中矩形方框表示一個大棚模型。尺寸為(1m*2m)。3個終端節(jié)點布置其中，分別攜帶溫度、濕度、光照、二氧化碳以及土壤濕度傳感器，實時的獲取環(huán)境參數(shù)，通過匯聚節(jié)點轉(zhuǎn)送到監(jiān)控中心，供管理員查看。管理員可以手動或者通過程序設(shè)定預值來監(jiān)控環(huán)境。例如當土壤濕度傳感器探測到土壤較干燥時，可以通過監(jiān)控芯片發(fā)出信號來打開滴灌設(shè)備的閥門，灌溉多長時間，需要根據(jù)土壤的干燥程度和作物的生長環(huán)境來調(diào)節(jié)。

附圖說明

圖1是農(nóng)業(yè)大田模型總體圖

圖2是無線通信節(jié)點結(jié)構(gòu)圖

圖3是監(jiān)控芯片總體結(jié)構(gòu)圖

圖4是農(nóng)業(yè)大田模型架構(gòu)概略圖

圖5是上位機軟件結(jié)構(gòu)圖

具體實施方式

系統(tǒng)主要模塊功能

下面分模塊的具體說明本發(fā)明的內(nèi)容。本發(fā)明可以分為上位機軟件的設(shè)計與實現(xiàn)、無線環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建、農(nóng)業(yè)信息獲取以及設(shè)備監(jiān)控三個方面。

上位機軟件的主要功能有：

環(huán)境數(shù)據(jù)以及各種農(nóng)業(yè)設(shè)備狀態(tài)的實時顯示。

對一些重要數(shù)據(jù)進行保存并能夠隨時查看歷史數(shù)據(jù)以屏幕顯示，打印等方式。

當某些環(huán)境參數(shù)超過預定值時，自動報警，并向信息感知節(jié)點發(fā)出監(jiān)控信號，感知節(jié)點收到監(jiān)控信號后，將命令傳送給與它連接的監(jiān)控芯片，通過監(jiān)控芯片來監(jiān)控農(nóng)業(yè)設(shè)備的狀態(tài)，如水閥的閉合，燈光的強弱等。

無線環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的主要功能就是為農(nóng)業(yè)大田信息監(jiān)控提供通訊載體。通訊頻率2.4Ghz。整個網(wǎng)絡(luò)由5個無線節(jié)點(0-4)構(gòu)成。0號節(jié)點為主控節(jié)點。1號節(jié)點為匯聚節(jié)點。2、3、4、分別是3個信息感知節(jié)點。分別攜帶溫濕度、光照、二氧化碳和土壤濕度傳感器，并實時的將這些數(shù)據(jù)發(fā)送到1號匯聚節(jié)點，繼而發(fā)送到0號主控節(jié)點。主控節(jié)點通過RS232串口與計算機連接。上位機軟件對接收到的數(shù)據(jù)包進行有效性檢查、存儲等一系列操作，實時顯示監(jiān)測區(qū)域的環(huán)境參數(shù)。

農(nóng)業(yè)信息獲取以及設(shè)備的監(jiān)控主要是通過一塊集成芯片。片上系統(tǒng)主要靠1MCU控制與協(xié)調(diào)。集成4種傳感器，通過命令將獲取的數(shù)據(jù)保存在1MCU存儲器中。通過RS232接口，可以將這些數(shù)據(jù)傳送給無線通訊節(jié)點，繼而通過無線信號發(fā)射到上位機。繼電器的作用主要是用來監(jiān)控滴灌設(shè)備，當監(jiān)控芯片接收到打開水閥的命令時，就會通過繼電器來控制一個電磁閥的開關(guān)，達到監(jiān)控灌溉的目的。數(shù)字電位器的作用主要是用來監(jiān)控燈光和風扇。由于這兩個設(shè)備不能是簡單的開關(guān)，需要根據(jù)環(huán)境適當?shù)恼{(diào)整燈光的明暗和風扇的轉(zhuǎn)速。數(shù)字電位器就是可以通過命令改變其電阻大小來監(jiān)控電路中電流的大小。達到監(jiān)控燈光和風扇的功能。

系統(tǒng)硬件設(shè)計

系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)主要包括3個方面。無線通信節(jié)點的硬件設(shè)計、監(jiān)控芯片的硬件設(shè)計、模型的架構(gòu)。

無線通信節(jié)點通信節(jié)點的硬件有以下幾個主要部分組成：MC13213監(jiān)控芯片、信號放大器、天線、串口通信模塊等。如圖2所示，監(jiān)控芯片用來監(jiān)控和協(xié)調(diào)整個片上系統(tǒng)，信號放大器將監(jiān)控芯片輸出的信息放大轉(zhuǎn)化通過射頻天線發(fā)射出去，串口通信模塊用來連接輻射傳感器與上位機。

監(jiān)控芯片就是一個簡單的51單片機系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。主要分為：MCU控制芯片(51芯片)、RS232通信口(與無線通信節(jié)點相連)、傳感器、監(jiān)控器件(繼電器、數(shù)字電位器)。

模型的架構(gòu)圖如下所示。模型尺寸初步設(shè)定為長2m，寬1m，高0.8m。盒狀結(jié)構(gòu)，用絕緣材料制作。整個系統(tǒng)統(tǒng)一供電，輸入220V，經(jīng)過電源轉(zhuǎn)換成5V供無線節(jié)點和監(jiān)控芯片使用，另一路供補光燈和排風扇使用。監(jiān)控芯片在圖中未表現(xiàn)出。

系統(tǒng)軟件設(shè)計

本系統(tǒng)的軟件設(shè)計主要包括3方面，上位機軟件的設(shè)計，無線通信節(jié)點軟件設(shè)計，監(jiān)控芯片軟件設(shè)計。上位機軟件采用VC編寫，無線通信節(jié)點和監(jiān)控芯片的程序采用c語言編寫。

上位機軟件的功能圖如下所示。軟件主要功能分為環(huán)境數(shù)據(jù)的顯示，歷史數(shù)據(jù)的顯示，農(nóng)業(yè)設(shè)備的監(jiān)控三個方面。通過傳感器采集環(huán)境數(shù)據(jù)，定時的將這些數(shù)據(jù)傳送到上位機，通過軟件顯示出來，供使用人員查看。當上位機通過RS232串口收到數(shù)據(jù)包時，一方面，會將數(shù)據(jù)顯示在屏幕上，另一方面會將數(shù)據(jù)保存到數(shù)據(jù)庫中，以便使用人員查看歷史數(shù)據(jù)，考慮到簡單實用的要求，本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫采用acess編寫。歷史數(shù)據(jù)的顯示方式有曲線和列表兩種?？梢酝ㄟ^設(shè)定初值來監(jiān)控農(nóng)業(yè)設(shè)備，比如設(shè)定光照強度的下限是4000lux時。當測量到光照強度小于4000lux時，程序會發(fā)送一個指令給感知節(jié)(2、3/4)要求它們把補光燈的開關(guān)(通過繼電器)打開。也可以不用設(shè)定初值，直接手動發(fā)送一個指令給感知節(jié)點，從而監(jiān)控農(nóng)業(yè)設(shè)備。

無線通信節(jié)點的主要功能就是提供通訊的載體。程序用c語言編寫，開發(fā)環(huán)境為codewarrior。主要分為主控端、中繼節(jié)點、感知節(jié)點。

主控端的功能：

1，接受上位機命令并將該命令發(fā)送到正確的感知節(jié)點。

2，接受數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)回饋給上位機。

中繼節(jié)點的功能：

1，主控節(jié)點和感知節(jié)點之間的跳板，增加通信距離。

感知節(jié)點的功能：

1，等待接受命令，進入相應(yīng)的處理程序，發(fā)送相應(yīng)的命令給監(jiān)控芯片。

2，從監(jiān)控芯片中讀取所需要的數(shù)據(jù)，傳回給主控節(jié)點。

監(jiān)控芯片程序也用c語言編寫。開發(fā)環(huán)境keil。主要功能如下：

1，接受命令讀取各種傳感器的數(shù)據(jù)，數(shù)字式的直接讀取，模擬信號的要經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換。并將數(shù)據(jù)傳給感知節(jié)點。

2，接受命令，監(jiān)控繼電器以及數(shù)字電位器來監(jiān)控農(nóng)業(yè)設(shè)備。